En 2019, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont fait la une des journaux lorsqu’ils ont créé le matériau « le plus noir » à partir de nanotubes de carbone — dix fois plus noir que tout autre matériau fabriqué jusqu’alors — un matériau si noir qu’il avait la capacité d’absorber 99,995 % de la lumière incidente. Cette recherche sur l’absorption de la lumière n’est pas une simple quête triviale ou purement esthétique. De nombreuses technologies peuvent bénéficier de l’optimisation de l’absorption de la lumière, par exemple dans le domaine de la photovoltaïque, en raison de la nécessité d’absorber et de convertir autant de lumière que possible en électricité, ou sur la surface intérieure d’un capteur de lumière, en raison de la nécessité de minimiser la lumière parasite non désirée. La physique de l’absorption de la lumière peut devenir assez complexe lorsqu’on entre dans les détails, car ce que nous considérons comme « noir » d’un point de vue non technique n’est généralement pas un absorbeur parfait. En effet, il existe de nombreuses façons de créer quelque chose capable d’absorber une partie de la lumière, mais plus on tente de s’approcher d’une absorption de 100 %, plus l’entreprise devient difficile.
Cela relève d’une vraie maîtrise de la physique.
Aujourd’hui, des physiciens autrichiens et israéliens rapportent dans la revue Science qu’ils ont mis au point un piège à lumière qui exploite les propriétés quantiques des ondes électromagnétiques — dans lesquelles les formes d’onde subissent des interférences constructives ou destructives lorsqu’elles sont combinées de manière précise — pour générer un anti-laser capable d’une absorption quasi parfaite de la lumière [1]. Le piège à lumière fonctionne essentiellement comme un laser à temps inversé, où, au lieu de faire passer plusieurs fois une lumière de longueur d’onde unique pour une émission stimulée maximale de photons, les passages multiples sont conçus pour une absorption maximale, faisant de l’appareil un véritable anti-laser.
En exploitant les propriétés quantiques de la lumière pour obtenir une absorption quasi parfaite, l’anti-laser est appelé « absorbeur parfait cohérent ». Ce dispositif ingénieux, basé sur un ensemble de miroirs et de lentilles, piège la lumière entrante à l’intérieur d’une cavité et la fait circuler, de manière à ce qu’elle frappe à plusieurs reprises le milieu absorbant, jusqu’à être complètement absorbée. Cette technique pourrait améliorer diverses méthodes de collecte de la lumière, de fourniture d’énergie, de contrôle de la lumière et d’imagerie.
Le piège à lumière : le dispositif comprend un miroir partiellement transparent, un absorbeur mince et faible, deux lentilles convergentes et un miroir totalement réfléchissant. Grâce à des effets d’interférence calculés avec précision, le faisceau lumineux incident interfère avec le faisceau réfléchi entre les miroirs, de sorte que ce dernier est finalement complètement annulé [image et description de l’image de Tu Wien]
Le dispositif reprend en fait une astuce déjà utilisée par la nature : la nuit, lorsque vous braquez une lampe de poche sur un chat ou un hibou, vous verrez leurs yeux renvoyer la lumière. En effet, leurs yeux possèdent une couche de tissu réfléchissant derrière la rétine, appelée tapetum lucidum, qui permet à la lumière non absorbée de traverser la fine rétine et d’avoir ainsi plus de chances d’être absorbée. C’est l’une des raisons pour lesquelles les animaux nocturnes ont une si bonne vision nocturne. C’est aussi une bonne solution au problème de l’absorption de la lumière sur une surface mince, qui consiste à faire passer plusieurs fois la lumière incidente. C’est exactement le genre d’astuce que nous pourrions adapter à des applications technologiques telles que la collecte de la lumière et les techniques de capture d’images.
Pour améliorer encore ce système, on pourrait ajouter une autre surface réfléchissante devant la rétine. La lumière rebondirait alors entre les deux miroirs, traversant plusieurs fois la surface absorbante. Mais ce n’est pas aussi simple.
Pour qu’un tel dispositif fonctionne, le miroir frontal ne peut pas être parfaitement réfléchissant. Il doit être partiellement transparent pour permettre à la lumière de pénétrer dans le système. Cependant, à mesure que la lumière rebondit entre les deux miroirs, une partie est perdue à travers le miroir partiellement transparent. Lorsque les chercheurs ont essayé de reproduire de telles configurations, ils ont constaté qu’elles ne fonctionnaient que pour certains types de lumière. Si certains modes de lumière se retrouvent piégés, frappant à plusieurs reprises la surface absorbante, d’autres, par exemple en entrant dans le dispositif avec un angle d’incidence différent ou une longueur d’onde différente, s’échappent.
Image du dispositif expérimental dans le laboratoire de l’Université hébraïque de Jérusalem [image et description de l’image de Tu Wien].
Les équipes de recherche de la TU Wien et de l’Université hébraïque de Jérusalem ont trouvé une astuce surprenante qui permet à un faisceau de lumière d’être complètement absorbé même dans les couches les plus fines : elles ont démontré qu’un piège à lumière extrêmement efficace peut être créé en plaçant deux lentilles entre deux miroirs, ce qui permet des passages multiples de la lumière incidente et lui permet d’être spécifiquement structuré pour une combinaison cohérente et une absorption ultime. L’équipe a essentiellement construit un piège à lumière autour d’une fine couche d’absorption à l’aide de miroirs et de lentilles, dans lequel le faisceau de lumière est orienté en cercle puis superposé sur lui-même – exactement de manière à ce que le faisceau de lumière se bloque lui-même et ne puisse plus quitter le système. Ainsi, la lumière n’a d’autre choix que d’être absorbée par la fine couche – il n’y a pas d’autre issue.
Bien que le système doive être réglé exactement sur la longueur d’onde que l’on souhaite absorber, la méthode d’absorption-amplification reste néanmoins un effet robuste qui promet un large éventail d’applications—non seulement pour les technologies de collecte de la lumière susmentionnées, mais également pour capturer parfaitement les signaux lumineux déformés lors de leur transmission à travers l’atmosphère terrestre, ou pour alimenter de manière optimale un détecteur avec des ondes lumineuses provenant de sources de faible luminosité (telles que des étoiles lointaines).
Dans l’ensemble, il s’agit d’une nouvelle boîte à outils dans la technologie émergente de façonnage de la lumière pour une grande variété d’applications.
All-in-all it is another toolkit in the emerging technology of shaping light for a wide variety of applications.
La lumière structurée fait référence à l’adaptation ou à la mise en forme de la lumière dans tous ses degrés de liberté – que ce soit dans le temps et la fréquence, pour créer des impulsions temporelles ultrarapides sur mesure, ou, plus communément, en contrôlant les degrés de liberté spatiaux de la lumière, tels que la polarisation, l’amplitude et la phase.
Avec le dernier exemple en date de l’anti-laser, la lumière est façonnée et structurée pour une absorption cohérente et parfaite.
Références
[1] Y. Slobodkin, G. Weinberg, H. Hörner, K. Pichler, S. Rotter, and O. Katz, “Massively degenerate coherent perfect absorber for arbitrary wavefronts,” Science, vol. 377, no. 6609, pp. 995–998, Aug. 2022, doi: 10.1126/science.abq8103.
